自由表面を考慮したパドル翼による攪拌解析
1. モデル説明
攪拌解析において、攪拌層内に上下方向の攪拌を促進するために邪魔板(バッフル)を配置している場合、界面に渦が発生し難くなるため、計算時間を短縮するため、自由表面は考慮せずに、界面は平坦としてfree-slip境界を設定して計算することも可能です。しかしながら、邪魔板が無い場合、軸周りに渦が発生し、界面形状は変化します。この場合、VOF法等による自由表面を考慮した計算が必要になります。
本解析事例では、OpenFOAMのVOF法のソルバーであるinterFoamを用いて自由表面を考慮した攪拌解析を行いました。攪拌層内に2段のパドル翼を配置し、一定の角速度(毎秒2回転)で回転させました。流体の種類はニュートン流体(空気と水）としました。
（補足：OpenFOAMでは非ニュートン流体の計算も可能です）
2. 解析結果
図3に計算開始直後に界面が激しく変動する様子を示します。図4に中心断面の流速分布を示します。
図3. 界面の様子
水領域の流速のみ表示(空気は非表示)
図4. 中央断面の流速のコンター図[m/s]
3. まとめ
攪拌解析で界面の変動を考慮する場合、VOF法等の非定常解析をおこなうことになります。VOF法による非定常解析は、定常解析に比べ計算時間がかかりますが、OpenFOAMはライセンスフリーのため、ライセンス費用を気にすることなく大規模な計算を行えます。
また、非定常解析をおこなうことで攪拌槽内で流速分布が発達していく様子を確認できるだけでなく、デッドスペース(死領域)の有無等も視覚的に把握することが可能です。OpenFOAMを活用することで、最適な攪拌翼の選択や適切な角速度の調査を行うことができます。
